Лазерный мир

В.В. Кондрашов, А.В. Копылов, О.С. Середин // ЖУРНАЛ Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013

Описывается построение системы адаптивного управления процессом лазерной подгонки резистивных элементов на основе анализа получаемой в режиме реального времени информации о ходе технологического процесса. Предлагаются методы решения подзадач, возникающих при автоматизации процесса лазерной подгонки плёночных резистивных элементов. Подробно рассматривается подзадача автоматического детектирования резистивных элементов на основе анализа видеоизображения.

Ключевые слова: лазерная подгонка, анализ изображений, автоматизация технологических процессов, плёночные резистивные элементы

Автоматизация работы установок лазерной подгонки резистивных элементов (РЭ) является необходимым средством повышения точности доводки РЭ до требуемого номинала, снижения уровня брака, сокращения временных затрат операторов и их утомляемости, и, как следствие, снижения себестоимости изделий.

Такая автоматизация требует внедрения механизмов анализа и принятия решений с минимальным участием оператора либо полностью в автоматическом режиме. Для построения системы адаптивного управления процессом лазерной подгонки с учётом получаемой в режиме реального времени информации о ходе технологического процесса необходимо решение следующих подзадач:

1) автоматическое детектирование элементов топологии платы с учетом видеоинформации в режиме реального времени;

2) автоматический выбор траектории подгонки в зависимости от технологических параметров конструкторской документации (КД) и реальных характеристик РЭ;

3) автоматическое определение точки вреза и момента начала подгонки резистора;

4) определение параметров долевого перехода по плечам траектории движения лазерного луча;

5) адаптивное изменение параметров технологического процесса в режиме реального времени при отклонении получаемых данных от данных исходной модели;

6) адаптивная пошаговая доводка резисторов до номинала;

7) автоматический контроль качества полученного реза с учетом видеоинформации в режиме реального времени [1].

Автоматическое детектирование элементов топологии платы с учетом видеоинформации в режиме реального времени. Задачу анализа места расположения лазерного луча относительно элементов топологии платы (например, положение точки вреза), решаемую в данный момент оператором, можно переложить на программно-аппаратное обеспечение. Такая необходимость связана с возросшими требованиями к быстродействию и точности систем подгонки, а также со стремлением к минимизации влияния человеческого фактора. По мнению авторов, использование видеоинформации только для визуального контроля оператором хода технологического процесса значительно ограничивает возможности существующих систем подгонки РЭ. Применение современных алгоритмов обработки и анализа изображений позволит детектировать элементы плат с точностью, позволяющей говорить о полной автоматизации данной задачи.

Входными данными будет являться набор изображений, получаемый посредством оптического канала системы подгонки (пример подобного изображения представлен на рис. 1), а выходными — информация о местоположении элементов топологии и точки лазера на плате. Последующее решение о перемещении положения лазера в случае необходимости принимается на последующих этапах обработки РЭ. Применение стандартных алгоритмов машинного зрения может быть затруднено спецификой изображений платы с топологическим рисунком на установках с современными оптическими системами и условиями их эксплуатации — значительная дис-торсия, нарушение экспозиции, расфокусировка, вследствие чего потребуется разработка новых подходов.

Автоматическое определение точки вреза и момента начала подгонки резистора. Нередко при подгонке резисторов возникают ситуации, когда отсчёт длины первого плеча траектории подгонки необходимо начинать строго с момента касания пятном лазера поверхности резистора. В основном такая необходимость возникает в случаях, когда первая часть траектории должна быть небольшой (порядка 20…50 мкм) либо при подгонке приёмом «Сканирование». Таким образом, подразумевается, что пятно лазерного излучения автоматически либо при помощи оператора должно располагаться, как указано на рис. 7.

Однако в случае выполнения данной задачи оператором возникает ряд трудностей, связанных, к примеру, с недостаточным качеством видеоизображения, по которому происходит ориентирование, либо с его слишком мелким масштабом. К тому же такая ручная коррекция положения пятна лазерного луча перед отработкой каждого резистора существенно повышает общее время выполнения операции подгонки и нагрузку на оператора, снижая тем самым технологичность процесса. Отсутствие же при производстве ГИС повторяемости должного уровня не позволяет позиционировать пятно и производить рез с необходимой точностью.

Предлагаются два способа решения данной задачи. Первый опирается на анализ значения сопротивления. Используя этот вариант, оператор должен задать параметр, который представляет собой длину шага L. В начале отработки задания автоматически выполняется рез длиной L в заданном направлении траектории, после чего происходят замер сопротивления резистора и анализ ситуации. По результатам анализа делается вывод, касается ли пятно лазера поверхности резистора или нет. В случае отрицательного результата делается еще один шаг. Операция повторяется, пока анализ результатов последнего шага не будет свидетельствовать о том, что край резистора обнаружен. С этого момента точкой отсчёта траектории считается найденное положение пятна лазерного излучения.

Таким образом, в ходе поиска края резистора сравнивается сопротивление после текущего п-го шага и предыдущего (п-1)-го шага, а также среднее арифметическое значение сопротивления за (п-1) шаг и среднеквадратичное отклонение (СКО) значений. Анализ СКО и среднего арифметического значений сопротивлений применяется для устранения влияния шумов в измерительной системе.

Однако у данного способа есть и некоторые недостатки. В частности, в ситуации с медленно меняющимся сопротивлением или при получении в результате некорректных параметров отжига материала с другой структурой подобный способ нахождения края резистора будет работать неточно либо вообще некорректно. В случае с плохо пропечатанными резисторами, что нередко характерно для толстоплёночных технологий, корректность результата поиска края резистора также подлежит сомнению. Во втором же способе используются данные, получаемые по каналу видеоизображения путём их распознавания и анализа.

Определение параметров долевого перехода по плечам траектории движения лазерного луча. При решении задач по увеличению точности подгонки РЭ необходимо учитывать вопросы стабильности сопротивления, поскольку дрейф резисторов существенно ограничивает точность подгонки. Импульсное нагревание прилегающих к резу участков РЭ сопровождается, как правило, её отжигом, окислением и плавлением в прогретой зоне, а также зачастую приводит к образованию трещин в плёнке и подложке, что весьма ярко выражено при определённых сочетаниях параметров материалов подложки и плёнки с параметрами обработки. Особенно трудно исключить возникновение трещин в конце реза, что связано со вспышкой поглощения в плёнке, вызванной исчезновением плазмы в момент окончания процесса. Например, для снижения влияния таких трещин можно использовать J-рез, конец которого располагается в менее нагруженной части резистора, как показано на рис. 9, вследствие чего линии тока практически не огибают конечную точку траектории подгонки [9].

Для полного выполнения заданного реза необходимо заранее определять параметры долевого перехода по плечам траектории. Это позволит частично уйти от влияния «иретестового» значения сопротивления на конечный вид траектории.

Адаптивная пошаговая доводка резисторов до номинала. При подгонке резисторов важно учитывать фактор локального нагревания зоны воздействия лазерного излучения на резистор и подложку. Поскольку в процессе подгонки происходит измерение сопротивления РЭ в режиме реального времени, при остывании резистора значение сопротивления («холодный замер») может значительно отличаться от того, на котором остановилась подгонка («горячий замер»). Отсюда следует необходимость учёта влияния температурного коэффициента сопротивления (ТКС) материала

резистивного слоя изделия на точность итогового «посттеста». Особенно эта ситуация характерна для толстоплёночных РЭ.

Также при высоких скоростях перемещения лазерного луча в процессе подгонки необходимо учитывать некую инерционность системы в целом. За время с момента формирования измерительной системой сигнала о достижении резистором номинала до получения лазером и зеркалами гальвано сканер а сигнала о прекращении выполнения задания пятно излучения перемещается на некоторое расстояние. Это приводит к тому, что сопротивление РЭ становится выше номинала. Однако простое снижение скорости, к примеру, при достижении 99 % от номинала не позволит решить проблему, поскольку в этом случае увеличится локальный разогрев резистора.

С целью устранения влияния ТКС материала РЭ и инерционности системы на точность технологического процесса предлагается подгонять резисторы до номинала методом адаптивной пошаговой доводки [11] как вариантом подстройки с предсказанием, проиллюстрированным рис. 11. Суть метода: при достижении сопротивлением некоторого значения К0? близкого к номиналу Я, выполнение задания приостанавливается и лазер выключается. Это позволяет резистору остыть.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что задача автоматизации процесса лазерной подгонки плёночных РЭ не только актуальна, но и требует комплексного подхода, опирающегося на современные методы получения, анализа информации и принятия решений. Только при чётком понимании этого возможно получение таких алгоритмов управления данным процессом, которые смогут обеспечить требуемую для решения современных задач микроэлектроники прецизионность результатов, повышая при этом выход годных изделий и полностью исключая негативные влияния человеческого фактора.

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/avtomatizatsiya-protsessa-lazernoy-podgonki-plyonochnyh-rezistivnyh-elementov/pdf

Видео по теме:

ОМЕГА-С — лазерная система лазерной подгонки  резисторов в автоматическом режиме// Лазерный Центр (Россия)